biološka oksidacija. Redoks reakcije. Vloga redoks procesov v telesu. Redoks potencial. Nernstova enačba

Brez energije ne more obstajati nobeno živo bitje. Navsezadnje vsaka kemična reakcija, vsak proces zahteva njegovo prisotnost. Vsakdo lahko to razume in občuti. Če ves dan ne jeste hrane, se bodo do večera in morda celo prej začeli simptomi povečane utrujenosti, letargije, moč se bo znatno zmanjšala.

Kako so se različni organizmi prilagodili pridobivanju energije? Od kod prihaja in kakšni procesi potekajo v celici? Poskusimo to ugotoviti v tem članku.

Organizmi pridobivajo energijo

Ne glede na to, kako bitja porabljajo energijo, vedno temelji na različnih primerih. OVR je tudi enačba fotosinteze, ki jo izvajajo zelene rastline in nekatere bakterije. Seveda se bodo procesi razlikovali glede na to, katero živo bitje je mišljeno.

Torej so vse živali heterotrofi. To so organizmi, ki ne morejo samostojno tvoriti pripravljenih organskih spojin v sebi za njihovo nadaljnjo cepitev in sproščanje energije kemičnih vezi.

Nasprotno, rastline so najmočnejši proizvajalec organske snovi na našem planetu. Prav oni izvajajo zapleten in pomemben proces, imenovan fotosinteza, ki je sestavljen iz tvorbe glukoze iz vode, ogljikovega dioksida pod delovanjem posebne snovi - klorofila. Stranski produkt je kisik, ki je vir življenja za vsa aerobna živa bitja.

Redoks reakcije, katerih primeri ponazarjajo ta proces:

• 6CO 2 + 6H 2 O \u003d klorofil \u003d C 6 H 10 O 6 + 6O 2;

• ogljikov dioksid + pod vplivom pigmenta klorofila (reakcijski encim) = monosaharid + prosti molekulski kisik.

Obstajajo tudi takšni predstavniki biomase planeta, ki lahko uporabljajo energijo kemičnih vezi anorganskih spojin. Imenujejo se kemotrofi. Sem spadajo številne vrste bakterij. Na primer vodikovi mikroorganizmi, ki oksidirajo molekule substrata v tleh. Postopek poteka po formuli: 2H 2 +0 2 \u003d 2H 2 0.

Zgodovina razvoja znanja o biološki oksidaciji

Proces, ki je osnova za proizvodnjo energije, je zdaj dobro znan. To je biološka oksidacija. Biokemija je preučila podrobnosti in mehanizme vseh stopenj delovanja tako podrobno, da skoraj ni več skrivnosti. Vendar ni bilo vedno tako.

Prve omembe najkompleksnejših transformacij v notranjosti živih bitij, ki so kemične reakcije v naravi, so se pojavile okoli 18. stoletja. V tem času je Antoine Lavoisier, slavni francoski kemik, svojo pozornost usmeril na podobnost biološke oksidacije in zgorevanja. Sledil je približno pot kisika, ki se absorbira med dihanjem, in prišel do zaključka, da se oksidacijski procesi odvijajo v telesu, le počasneje kot zunaj, ko različne snovi izgorevajo. To pomeni, da oksidacijsko sredstvo - molekule kisika - reagirajo z organskimi spojinami, natančneje z vodikom in ogljikom iz njih, in pride do popolne transformacije, ki jo spremlja razgradnja spojin.

Čeprav je ta domneva sama po sebi povsem resnična, je marsikaj ostalo nerazumljivo. Na primer:

• ker so procesi podobni, bi morali biti pogoji za njihov nastanek enaki, vendar se oksidacija pojavi pri nizki telesni temperaturi;
• dejanje ne spremlja sproščanje ogromne količine toplotne energije in ni nastajanja plamena;
• v živih bitjih vsaj 75-80% vode, vendar to ne preprečuje "kurjenja" hranilnih snovi v njih.

Da bi odgovorili na vsa ta vprašanja in razumeli, kaj pravzaprav je biološka oksidacija, je trajalo več kot eno leto.

Obstajajo različne teorije, ki nakazujejo pomen prisotnosti kisika in vodika v procesu. Najpogostejši in najuspešnejši so bili:

• Bachova teorija, imenovana peroksid;
• Palladinova teorija, ki temelji na konceptu "kromogeni".

V prihodnosti je bilo veliko več znanstvenikov, tako v Rusiji kot v drugih državah sveta, ki so postopoma dodajali in spreminjali vprašanje, kaj je biološka oksidacija. Sodobna biokemija, zahvaljujoč njihovemu delu, lahko pove o vsaki reakciji tega procesa. Med najbolj znanimi imeni na tem področju so naslednja:

• Mitchell;
• S. V. Severin;
• Warburg;
• V. A. Belitser;
• Lehninger;
• V. P. Skulačev;
• Krebs;
• Zelena;
• V. A. Engelhardt;
• Kaylin in drugi.

Vrste biološke oksidacije

Obstajata dve glavni vrsti obravnavanega procesa, ki se pojavita pod različnimi pogoji. Torej je najpogostejši način pretvorbe prejete hrane v številne vrste mikroorganizmov in gliv anaerobni. To je biološka oksidacija, ki se izvaja brez dostopa do kisika in brez njegove udeležbe v kakršni koli obliki. Podobne razmere nastanejo tam, kjer ni dostopa do zraka: pod zemljo, v razpadajočih substratih, muljih, glinah, močvirjih in celo v vesolju.

Ta vrsta oksidacije ima drugo ime - glikoliza. Je tudi ena od stopenj bolj zapletenega in napornega, a energijsko bogatega procesa - aerobne transformacije ali tkivnega dihanja. To je druga vrsta obravnavanega postopka. Pojavlja se pri vseh aerobnih heterotrofnih živih bitjih, ki za dihanje uporabljajo kisik.

Tako so vrste biološke oksidacije naslednje.

1. Glikoliza, anaerobna pot. Ne zahteva prisotnosti kisika in se konča z različnimi oblikami fermentacije.
2. Tkivno dihanje (oksidativna fosforilacija) ali aerobni tip. Zahteva prisotnost molekularnega kisika.

Udeleženci procesa

Preidimo k razmisleku o samih lastnostih, ki jih vsebuje biološka oksidacija. Določimo glavne spojine in njihove okrajšave, ki jih bomo uporabljali v prihodnje.

1. Acetilkoencim-A (acetil-CoA) je kondenzat oksalne in ocetne kisline s koencimom, ki nastane na prvi stopnji cikla trikarboksilne kisline.
2. Krebsov cikel (cikel citronske kisline, trikarboksilne kisline) je vrsta zapletenih zaporednih redoks transformacij, ki jih spremlja sproščanje energije, redukcija vodika in tvorba pomembnih produktov z nizko molekulsko maso. Je glavni člen v katabolizmu in anabolizmu.
3. NAD in NAD * H - encim dehidrogenaza, dešifriran kot nikotinamid adenin dinukleotid. Druga formula je molekula s pripetim vodikom. NADP - nikotinamid adenin dinukleotid fosfat.
4. FAD in FAD * H - flavin adenin dinukleotid - koencim dehidrogenaz.
5. ATP je adenozin trifosfat.
6. PVA je piruvična kislina ali piruvat.
7. Sukcinat ali jantarna kislina, H 3 RO 4 - fosforna kislina.
8. GTP je gvanozin trifosfat, razred purinskih nukleotidov.
9. ETC - transportna veriga elektronov.
10. Procesni encimi: peroksidaze, oksigenaze, citokrom oksidaze, flavin dehidrogenaze, različni koencimi in druge spojine.

Vse te spojine so neposredni udeleženci v procesu oksidacije, ki se pojavi v tkivih (celicah) živih organizmov.

Stopnje biološke oksidacije: tabela

Vse to so procesi, ki spremljajo biološko oksidacijo s sodelovanjem kisika. Seveda niso v celoti opisani, ampak le v bistvu, saj je za podroben opis potrebno celo poglavje knjige. Vsi biokemični procesi živih organizmov so izjemno večplastni in kompleksni.

Redoks reakcijski proces

Redoks reakcije, katerih primeri lahko ponazorijo zgoraj opisane procese oksidacije substrata, so naslednji.

1. Glikoliza: monosaharid (glukoza) + 2NAD + + 2ADP = 2PVK + 2ATP + 4H + + 2H 2 O + NADH.
2. Oksidacija piruvata: PVA + encim = ogljikov dioksid + acetaldehid. Nato naslednji korak: acetaldehid + koencim A = acetil-CoA.
3. Številne zaporedne transformacije citronske kisline v Krebsovem ciklu.

Te redoks reakcije, katerih primeri so navedeni zgoraj, odražajo bistvo potekajočih procesov le na splošno. Znano je, da imajo zadevne spojine bodisi visoko molekulsko maso bodisi velik ogljikov skelet, zato preprosto ni mogoče vsega predstaviti s popolnimi formulami.

Energija pri dihanju tkiv

Iz zgornjih opisov je jasno, da ni težko izračunati celotnega energijskega izkoristka celotne oksidacije.

1. Z glikolizo nastaneta dve molekuli ATP.
2. Oksidacija piruvata 12 molekul ATP.
3. 22 molekul pade na cikel trikarboksilne kisline.

Zaključek: popolna biološka oksidacija vzdolž aerobne poti daje energijo, ki je enaka 36 molekulam ATP. Pomen biološke oksidacije je očiten. To energijo porabijo živi organizmi za življenje in delovanje, pa tudi za ogrevanje svojega telesa, gibanje in druge potrebne stvari.

Anaerobna oksidacija substrata

Druga vrsta biološke oksidacije je anaerobna. To je tisti, ki ga izvajajo vsi, vendar se na njem ustavijo mikroorganizmi določenih vrst. in prav iz njega so jasno zasledljive razlike v nadaljnji pretvorbi snovi med aerobi in anaerobi.

Na tej poti je nekaj korakov biološke oksidacije.

1. Glikoliza, to je oksidacija molekule glukoze v piruvat.
2. Fermentacija vodi do regeneracije ATP.

Fermentacija je lahko različnih vrst, odvisno od organizmov, ki jo izvajajo.

mlečnokislinska fermentacija

Izvajajo ga mlečnokislinske bakterije, pa tudi nekatere glive. Bistvo je obnoviti PVC v mlečno kislino. Ta postopek se uporablja v industriji za pridobivanje:

• mlečni izdelki;
• vložena zelenjava in sadje;
• živalski silosi.

Ta vrsta fermentacije je ena najpogosteje uporabljenih v človeških potrebah.

Alkoholno vrenje

Ljudem poznan že od antike. Bistvo procesa je pretvorba PVC-ja v dve molekuli etanola in dva ogljikovega dioksida. Zaradi tega izkoristka proizvoda se ta vrsta fermentacije uporablja za pridobivanje:

• kruha;
• krivda;
• pivo;
• slaščice in drugo.

Izvajajo ga glive, kvasovke in mikroorganizmi bakterijske narave.

Maslena fermentacija

Precej ozko specifična vrsta fermentacije. Izvajajo bakterije iz rodu Clostridium. Bistvo je pretvorba piruvata v masleno kislino, ki daje hrani neprijeten vonj in žarek okus.

Zato se biološke oksidacijske reakcije, ki potekajo po tej poti, v industriji praktično ne uporabljajo. Vendar pa te bakterije neodvisno sejejo živila in povzročajo škodo, kar zmanjšuje njihovo kakovost.

Biološka oksidacija - je skupek redoks transformacij različnih snovi v živih organizmih. Redoks reakcije so reakcije, ki se pojavijo s spremembo oksidacijskega stanja atomov zaradi prerazporeditve elektronov med njimi.

Vrste bioloških oksidacijskih procesov:

1)aerobna (mitohondrijska) oksidacija je namenjen pridobivanju energije hranil s sodelovanjem kisika in njegovega kopičenja v obliki ATP. Imenuje se tudi aerobna oksidacija tkivno dihanje, saj med potekom tkiva aktivno porabljajo kisik.

2) anaerobna oksidacija- to je pomožni način pridobivanja energije snovi brez sodelovanja kisika. Anaerobna oksidacija je zelo pomembna pri pomanjkanju kisika, pa tudi pri intenzivnem mišičnem delu.

3) mikrosomska oksidacija Namenjen je nevtralizaciji zdravil in strupov, pa tudi sintezi različnih snovi: adrenalina, norepinefrina, melanina v koži, kolagena, maščobnih kislin, žolčnih kislin, steroidnih hormonov.

4) oksidacija prostih radikalov nujen za uravnavanje obnove in prepustnosti celičnih membran.

Glavna pot biološke oksidacije je mitohondrijska povezana z zagotavljanjem telesu energije v dostopni obliki. Viri energije za človeka so različne organske spojine: ogljikovi hidrati, maščobe, beljakovine. Zaradi oksidacije se hranila razgradijo do končnih produktov, predvsem do CO 2 in H 2 O (pri razgradnji beljakovin nastaja tudi NH 3). Energija, ki se pri tem sprosti, se akumulira v obliki energije kemičnih vezi makroergičnih spojin, predvsem ATP.

Makroergični imenujemo organske spojine živih celic, ki vsebujejo energijsko bogate vezi. Med hidrolizo makroergičnih vezi (označenih z vijugasto črto ~) se sprosti več kot 4 kcal / mol (20 kJ / mol). Makroergične vezi nastanejo kot posledica prerazporeditve energije kemičnih vezi v procesu metabolizma. Večina visokoenergijskih spojin so fosforni anhidridi, kot so ATP, GTP, UTP itd. Adenozin trifosfat (ATP) zavzema osrednje mesto med snovmi z makroergičnimi vezmi.

adenin - riboza - P ~ P ~ P, kjer je P ostanek fosforne kisline

ATP se nahaja v vsaki celici v citoplazmi, mitohondrijih in jedrih. Reakcije biološke oksidacije spremlja prenos fosfatne skupine na ADP s tvorbo ATP (ta proces se imenuje fosforilacija). Tako se energija shranjuje v obliki molekul ATP in se po potrebi uporablja za opravljanje različnih vrst dela (mehansko, električno, osmotsko) in za izvajanje sinteznih procesov.

Sistem združevanja oksidacijskih substratov v človeškem telesu

Neposredna uporaba kemične energije, ki jo vsebujejo molekule živilskih snovi, je nemogoča, saj se ob pretrganju znotrajmolekularnih vezi sprosti ogromna količina energije, ki lahko povzroči poškodbe celic. Da bi hranila vstopila v telo, morajo prestati vrsto specifičnih transformacij, med katerimi pride do večstopenjske razgradnje kompleksnih organskih molekul v enostavnejše. To omogoča postopno sproščanje energije in njeno shranjevanje v obliki ATP.

Imenuje se proces pretvorbe različnih kompleksnih snovi v en energijski substrat poenotenje. Obstajajo tri stopnje združevanja:

1. Pripravljalna faza se pojavlja v prebavnem traktu, pa tudi v citoplazmi telesnih celic . Velike molekule se razgradijo v svoje sestavne strukturne bloke: polisaharide (škrob, glikogen) - do monosaharidov; beljakovine - do aminokislin; maščobe - do glicerola in maščobnih kislin. Pri tem se sprosti majhna količina energije (približno 1%), ki se razprši v obliki toplote.

2. transformacije tkiv se začne v citoplazmi celice in konča v mitohondrijih. Nastanejo še enostavnejše molekule, število njihovih vrst pa se znatno zmanjša. Nastali produkti so skupni presnovnim potem različnih snovi: piruvat, acetil-koencim A (acetil-CoA), α-ketoglutarat, oksaloacetat itd. Najpomembnejša od teh spojin je acetil-CoA, ostanek ocetne kisline, ki mu je S koencim A – aktivna oblika vitamina B 3 (pantotenska kislina). Procesi razgradnje beljakovin, maščob in ogljikovih hidratov se združijo na stopnji tvorbe acetil-CoA, nato pa tvorijo en presnovni cikel. Za to stopnjo je značilno delno (do 20 %) sproščanje energije, od katere se del akumulira v obliki ATP, del pa se odvaja v obliki toplote.

3. Mitohondrijska stopnja. Produkti, ki nastanejo v drugi fazi, vstopijo v ciklični oksidacijski sistem - cikel trikarboksilne kisline (Krebsov cikel). in s tem povezano mitohondrijsko dihalno verigo. V Krebsovem ciklu se acetil-CoA oksidira v CO 2 in vodik, povezan z nosilci - NAD + H 2 in FAD H 2. Vodik vstopi v dihalno verigo mitohondrijev, kjer ga kisik oksidira v H 2 O. Ta proces spremlja sprostitev približno 80% energije kemičnih vezi snovi, del katere se porabi za tvorbo ATP, del se sprošča v obliki toplote.

Klasifikacija in karakterizacija glavnih oksidoreduktaz v tkivih

Pomembna značilnost biološke oksidacije je, da poteka pod delovanjem določenih encimov. (oksidoreduktaza). Vsi potrebni encimi za vsako stopnjo so združeni v sklope, ki so praviloma pritrjeni na različne celične membrane. Zaradi usklajenega delovanja vseh encimov se kemične transformacije izvajajo postopoma, kot po tekočem traku. V tem primeru je reakcijski produkt ene stopnje izhodna spojina za naslednjo stopnjo.

Razvrstitev oksidoreduktaz:

1. Dehidrogenaze izvedite eliminacijo vodika iz oksidiranega substrata:

SH 2 + A → S + AH 2

V procesih, povezanih s pridobivanjem energije, je najpogostejša vrsta bioloških oksidacijskih reakcij dehidrogenacija, to je eliminacija dveh vodikovih atomov iz oksidiranega substrata in njun prenos na oksidacijsko sredstvo. Vodik v živih sistemih pravzaprav ni v obliki atomov, ampak je vsota protona in elektrona (H + in ē), katerih poti gibanja so različne.

Dehidrogenaze so kompleksne beljakovine, njihovi koencimi (neproteinski del kompleksnega encima) so lahko tako oksidant kot reducent. Z odvzemom vodika iz substratov se koencimi pretvorijo v reducirano obliko. Reducirane oblike koencimov lahko oddajo vodikove protone in elektrone drugemu koencimu, ki ima višji redoks potencial.

1) KONEC + - in NADP + -odvisne dehidrogenaze(koencimi - NAD + in NADP + - aktivne oblike vitamina PP ). Dva atoma vodika sta vezana na oksidirani substrat SH 2 in nastane reducirana oblika - NAD + H 2:

SH 2 + NAD + ↔ S + NAD + H 2

2) Od FAD odvisne dehidrogenaze(koencima - FAD in FMN - aktivne oblike vitamina B 2). Oksidacijske sposobnosti teh encimov jim omogočajo, da sprejmejo vodik neposredno iz oksidacijskega substrata in reduciranega NADH 2 . V tem primeru nastaneta reducirani obliki FAD·H 2 in FMN·H 2.

SH 2 + FAD ↔ S + FAD H 2

NAD + N 2 + FMN ↔ NAD + + FMN N 2

3) koencimQali ubikinon, ki lahko dehidrogenira FAD H 2 in FMN H 2 in veže dva vodikova atoma, ki se spremenita v KoQ H 2 ( hidrokinon):

FMN N 2 + KoQ ↔ FMN + KoQ N 2

2. Nosilci elektronov hemične narave, ki vsebujejo železo – citokromib, c 1 , c, a, a 3 . Citokromi so encimi, ki spadajo v razred kromoproteinov (obarvani proteini). Neproteinski del citokromov predstavlja heme vsebuje železo in je po zgradbi podoben hemu hemoglobina.Ena molekula citokroma lahko reverzibilno sprejme en elektron, medtem ko se oksidacijsko stanje železa spremeni:

citokrom (Fe 3+) + ē ↔ citokrom (Fe 2+)

Citokromi a, a 3 tvorijo kompleks, imenovan citokrom oksidaza. Za razliko od drugih citokromov je citokrom oksidaza sposobna interakcije s kisikom, končnim sprejemnikom elektronov.

1. Reakcija dehidrogenacije: SH 2 + HAD + = S + HADH + H +

2. Izguba elektrona: O 2 0 + 1eàO 2 -

3. Prenos 2H + iz reduciranega substrata v molekularni kisik: SH 2 + O 2 0 + 2e \u003d S + H 2 O

4. Pritrditev kisika na substrat: SH 2 + 1 / 2O 2 0 + 2e \u003d HO - S -H

2. Mehanizem nastanka elektrodnega in redoks potenciala. Nernst-Petersove enačbe.

Merilo redoks sposobnosti snovi so redoks potenciali. Razmislimo o mehanizmu nastanka potenciala. Ko reaktivno kovino (Zn, Al) potopimo v raztopino njene soli, na primer Zn v raztopini ZnSO 4, se kovina zaradi oksidacijskega procesa dodatno raztopi, nastane par, dvojna električna plast. na kovinsko površino in pojavi se parni potencial Zn 2+/Zn°.

Kovina, potopljena v raztopino svoje soli, kot je cink v raztopini cinkovega sulfata, se imenuje elektroda prve vrste. To je dvofazna elektroda, ki je negativno nabita. Potencial nastane kot posledica oksidacijske reakcije (slika 8.1). Ko nizko aktivne kovine (Cu) potopimo v raztopino njihove soli, opazimo nasprotni proces. Na meji med kovino in raztopino soli se kovina nalaga kot posledica redukcije iona, ki ima visoko akceptorsko kapaciteto za elektron, kar je posledica velikega jedrskega naboja in majhnega polmera iona. Elektroda je pozitivno nabita, odvečni anioni soli tvorijo drugo plast v obelektrodnem prostoru in nastane elektrodni potencial para Cu 2 +/Cu°. Potencial se oblikuje kot rezultat procesa okrevanja (slika 8.2). Mehanizem, velikost in znak elektrodnega potenciala so določeni s strukturo atomov, ki sodelujejo v procesu elektrode.

Torej se imenuje potencial, ki nastane na meji med kovino in raztopino kot posledica oksidacijskih in redukcijskih procesov, ki se pojavljajo ob sodelovanju kovine (elektrode) in tvorbe dvojne električne plasti. potencial elektrode.

Če se elektroni odstranijo iz cinkove plošče na bakreno, se ravnotežje na ploščah poruši. Za to povežemo cinkove in bakrene plošče, potopljene v raztopine njihovih soli, s kovinskim prevodnikom, raztopine v bližini elektrode z elektrolitskim mostom (cev z raztopino K 2 SO 4), da sklenemo vezje. Polreakcija oksidacije poteka na cinkovi elektrodi:

in na bakru - redukcijska polovična reakcija:

Električni tok je posledica celotne redoks reakcije:

V tokokrogu se pojavi električni tok. Vzrok za nastanek in pretok električnega toka (EMF) v galvanskem členu je razlika v elektrodnih potencialih (E) - sl. 8.3.

riž. 8.3. Shema električnega vezja galvanskega člena

Galvanski člen- sistem, v katerem se kemijska energija redoks procesa pretvarja v električno energijo. Kemični tokokrog galvanskega člena je običajno zapisan kot kratek diagram, kjer je na levi strani postavljena bolj negativna elektroda, par, ki nastane na tej elektrodi, je označen z navpično črto in prikazan je skok potenciala. Dve črti označujeta mejo med rešitvami. Naboj elektrode je označen v oklepajih: (-) Zn°|Zn 2 +||Cu 2 +|Cu° (+) - diagram kemijskega kroga galvanskega člena.

Redoks potenciali para so odvisni od narave udeležencev elektrodnega procesa in razmerja ravnotežnih koncentracij oksidiranih in reduciranih oblik udeležencev elektrodnega procesa v raztopini, temperature raztopine in so opisani z Nernstovo enačbo.

Kvantitativna značilnost redoks sistema je redoks potencial, ki nastane na fazni meji platina - vodna raztopina. Vrednost potenciala v enotah SI se meri v voltih (V) in se izračuna iz Nernst-Petersova enačba:

kjer sta a(Ox) in a(Red) aktivnosti oksidirane oziroma reducirane oblike; R- univerzalna plinska konstanta; T- termodinamična temperatura, K; F- Faradayeva konstanta (96.500 C/mol); n je število elektronov, vključenih v osnovni redoks proces; a - aktivnost hidronijevih ionov; m- stehiometrični koeficient pred vodikovim ionom v polovični reakciji. Vrednost φ° je standardni redoks potencial, tj. potencial, izmerjen pod pogoji a(Oх) = a(Red) = a(H +) = 1 in dano temperaturo.

Standardni potencial sistema 2H + / H 2 je enak 0 V. Standardni potenciali so referenčne vrednosti in so prikazani v tabeli pri temperaturi 298 K. Močno kislo okolje ni značilno za biološke sisteme, zato se za karakterizacijo procesov, ki se pojavljajo v živih sistemih, pogosteje uporablja formalni potencial, ki je določen pod pogojem a(Ox) = a(Red), pH 7,4 in temperatura 310 K (fiziološka raven). Pri zapisu potenciala je para navedena v ulomku, pri čemer je v števcu zapisan oksidant, v imenovalcu pa reducent.

Za 25 °C (298K) po zamenjavi konstantnih vrednosti (R = 8,31 J/mol deg; F= 96 500 C/mol) ima Nernstova enačba naslednjo obliko:

kjer je φ° standardni redoks potencial para, V; z o.fu in z v.f. - zmnožek ravnotežnih koncentracij oksidirane oziroma reducirane oblike; x in y sta stehiometrična koeficienta v enačbi polovične reakcije.

Elektrodni potencial nastane na površini kovinske plošče, potopljene v raztopino njene soli, in je odvisen samo od koncentracije oksidirane oblike [M n+ ], saj se koncentracija reducirane oblike ne spremeni. Odvisnost potenciala elektrode od koncentracije istoimenskega iona z njim določa enačba:

kjer je [M n+ ] ravnotežna koncentracija kovinskega iona; n- število elektronov, vključenih v polovično reakcijo, in ustreza oksidacijskemu stanju kovinskega iona.

Redox sistemi so razdeljeni na dve vrsti:

1) v sistemu se izvaja samo prenos elektronov Fe 3 + + ē = = Fe 2 +, Sn 2 + - 2ē = Sn 4 +. to izolirano redoks ravnovesje;

2) sistemi, kjer je prenos elektrona dopolnjen s prenosom protona, tj. opazili kombinirano ravnotežje različnih vrst: protolitična (kislinsko-bazična) in redoks z možno konkurenco dveh delcev protonov in elektronov. V bioloških sistemih so pomembni redoks sistemi te vrste.

Primer sistema druge vrste je proces uporabe vodikovega peroksida v telesu: H 2 O 2 + 2H + + 2ē ↔ 2H 2 O, pa tudi redukcija v kislem okolju številnih oksidantov, ki vsebujejo kisik: CrO 4 2-, Cr 2 O 7 2-, MnO 4 -. Na primer, MnO 4 - + 8Н + + 5ē = = Mn 2 + + 4Н 2 О. V tej polovični reakciji sodelujejo elektroni in protoni. Izračun potenciala para se izvede po formuli:

V širšem obsegu konjugiranih parov sta oksidirana in reducirana oblika para v raztopini v različnih stopnjah oksidacije (MnO 4 - /Mn 2+). Kot merilna elektroda

v tem primeru se uporablja elektroda iz inertnega materiala (Pt). Elektroda ni udeleženec elektrodnega procesa in ima le vlogo prenašalca elektronov.

Potencial, ki nastane zaradi redoks procesa, ki poteka v raztopini, se imenuje redoks potencial.

Meri se na redoks elektroda je inertna kovina v raztopini, ki vsebuje oksidirane in reducirane oblike para. Na primer pri merjenju E o parov Fe 3 +/Fe 2 + uporabite redoks elektrodo - platinsko merilno elektrodo. Referenčna elektroda je vodik, katerega potencial para je znan.

Reakcija, ki poteka v galvanskem členu:

Shema kemijske verige: (-) Pt | (H 2 °), H + | | Fe 3 +, Fe 2 + | Pt (+).

Torej, redoks potencial (ORP) je potencial sistema, v katerem sta aktivnosti oksidacijskih in redukcijskih oblik dane snovi enaki enoti. ORP se meri z redoks elektrodami v kombinaciji s standardnimi referenčnimi elektrodami.

Vsaka redoks reakcija ima svojo redoks par- ta par ima snov v oksidirani in reducirani obliki (Fe +3 /Fe +2).

Kvantitativno merilo aktivnosti redoks para je njegova vrednost ORP.

ORP hlapi >>>oksidant

pari ORP<<<восстановитель

ORP je odvisen od:

1. Narava redoks para,

2. Koncentracije

3. Temperature

3. Primerjalna jakost oksidantov in reducentov. Napovedovanje smeri redoks procesov z vrednostmi redoks potencialov.

Redoks potencial je merilo redoks sposobnosti snovi. Vrednost standardnih parnih potencialov je navedena v referenčnih tabelah.

Standardni potenciali elektrod (E°), ki delujejo kot reducenti glede na vodik, imajo znak "-", znak "+" pa imajo standardne potenciale elektrod, ki so oksidanti.

Kovine, razvrščene v naraščajočem vrstnem redu svojih standardnih elektrodnih potencialov, tvorijo t.i elektrokemične napetostne vrste kovin : Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

V seriji redoks potencialov opazimo naslednje zakonitosti.

1. Če je standardni redoks potencial para negativen, na primer φ ° (Zn 2+ (p) / Zn ° (t)) \u003d -0,76 V, potem glede na vodikov par, katerega potencial je višji, to par deluje kot reducent. Potencial nastane po prvem mehanizmu (oksidacijske reakcije).

2. Če je potencial para pozitiven, na primer φ ° (Cu 2 + (p) / Cu (t)) \u003d +0,345 V glede na vodikov ali drug konjugiran par, katerega potencial je nižji, je ta par oksidacijsko sredstvo. Potencial tega para se oblikuje po drugem mehanizmu (reakcije redukcije).

3. Višja kot je algebraična vrednost standardnega potenciala para, večja je oksidacijska sposobnost oksidirane oblike in manjša redukcijska sposobnost reducirane oblike tega para. Zmanjšanje vrednosti pozitivnega potenciala in povečanje negativnega potenciala ustreza zmanjšanju oksidativne in povečanju redukcijske aktivnosti. Na primer.

Številni destruktivni procesi v našem življenju so povezani z oksidacijo, to je, da se pojavijo s sodelovanjem kisika. Vendar pa so oksidativne reakcije preprosto potrebne za normalno delovanje telesa. Vplivajo na proizvodnjo energije, okrevanje, procese homeostaze in druge vitalne funkcije. Glavna stvar pri tem je ohraniti ravnovesje in ne pustiti prestopiti meje, ko oksidacija postane naš sovražnik.

Procesi, ki potekajo v človeškem telesu, so vedno povezani z oksidacijsko reakcijo. V tem primeru kompleksne snovi razpadejo (oksidirajo) na enostavnejše in sprosti se energija, potrebna za življenje.

Vendar imajo lahko rezultati takih oksidativnih procesov dva izida: pozitiven in negativen.

Rezultati oksidativnih reakcij

Ravnovesje oksidativnih in antioksidativnih procesov je ključ do dolgoživosti

Nujen pogoj za normalno delovanje vseh telesnih sistemov in zdravje človeka je ravnovesje med oksidativnimi in antioksidativnimi procesi. Premik tega pojava v eno ali drugo smer je lahko tako patologija kot prilagoditvena reakcija.

Če je oksidativnih procesov več, potem ima naše telo težko delo. Veliko število prostih radikalov (ki nastanejo pri procesu oksidacije) povzroča oksidativni stres, ki prizadene zdrave celice v telesu.

To lahko privede do razvoja malignih tumorjev, prezgodnjega staranja in resnih bolezni. Različni virusi vstopajo v telo bolj aktivno, saj ni zaščiteno, zato postanemo bolj ranljivi za nalezljive bolezni.

Ko je telo oslabljeno, škodljivo UV-A sevanje sproži proces oksidacije, ki povzroči nepopravljivo škodo tako na koži kot na telesu kot celoti. To vpliva na imunski sistem in DNK.

Dejavniki neravnovesja oksidativnih procesov:

• Ionizirajoče sevanje.
• Kemikalije.
• Bakterije, virusi.
• Alkohol, kajenje.
• Onesnaževanje okolja.
• Napačna prehrana.

Ena od rešitev je vzpostavitev oziroma pravočasno vzdrževanje ravnovesja med oksidativnimi in antioksidativnimi procesi. To je mogoče z uravnavanjem oksidacijskih procesov s pomočjo prehrane in kvalitativnega izboljšanja življenjskega sloga.

Tega se morajo še posebej spomniti prebivalci velikih mest, kjer izpušni plini in podhranjenost uničujejo antioksidativni sistem v telesu. V človeku se postopoma kopičijo škodljive snovi, ki vodijo v oksidativni stres in povzročajo različne patologije.

Antioksidanti – popolna obramba telesa

Danes poznamo več kot 3000 različnih antioksidantov. Običajno so razdeljeni v 4 skupine:

1. rastlinski bioflavonoidi. Delujejo kot past: ujamejo proste radikale in toksine ter jih odstranijo iz telesa. Lahko pomagajo zmanjšati tveganje za bolezni srca in raka. Vir: katehin, ki ga najdemo v zelenem čaju, rdečem vinu, citrusih.
2. vitamini. Absorbirajo odvečno energijo iz agresivnih prostih radikalov, prav tako ustavijo ali upočasnijo razvoj verižne reakcije. Poznamo dve vrsti: maščobotopne (zaščita maščobnega tkiva) in vodotopne (zaščita mišic in ožilja). Na primer vitamini A, E, C, betakaroten.
3. Minerali, ki jih človek ni sposoben proizvesti sam. Ohranjajte normalno raven vitaminov v telesu in ščitite pred okužbami. Primer: selen, mangan, kalcij, cink.
4. Encimi. Delujejo kot katalizatorji, razkužujejo in pospešujejo proces odstranjevanja prostih radikalov. Primer: encim koencim Q10.

Glede na izvor ločimo dve vrsti antioksidantov:

1. Naravna (najdemo jo v hrani in jo telo najbolje absorbira).
2. Sintetični (pripravki, ki jih proizvaja farmacevtska industrija).

Najbogatejši vir antioksidantov je rastlinska hrana. Mimogrede, lupina, semena in korenike so najbogatejši s temi dragocenimi elementi. Nekateri znanstveniki menijo, da so najučinkovitejši antioksidanti bioflavonoidi, ki jih najdemo v lupinah svetlo obarvanih rastlin, kot so grozdje, pesa, borovnice, jajčevci in vijolično zelje.

Glavni viri najmočnejših antioksidantov so:

• pomaranče, marelice, papaje, lubenice, mandarine, nektarine, kivi, mango, oreščki;
• korenje, gorčica, sončnična semena, buče, špinača;
• brokoli, pesa, koruza, paradižnik, šparglji, špinača;
• tuna, perutnina, govedina, ostrige, žitni kruh, mlečni izdelki;
• rdeče meso, ostrige, fižol, rdeče ribe.

Ravnovesje antioksidativnih in oksidativnih procesov je nepogrešljiva preventiva številnih nevarnih bolezni. Podaljšajte mladost in dobro voljo z rednim uživanjem antioksidantov!